第6章 脉冲反射法超声检测通用技术(0859)

第6章脉冲反射法超声检测通用技术

6.1 检测面的选择和准备

检测面的选择应考虑以下几个方面：

1 检测面应是平面或规则面的工件表面；

2 检测面的粗糙度应≤6.3µm，表面应清除杂物，松动氧化皮，毛刺，油污等。

3 被检测缺陷的位置、取向；

4 入射声束应尽可能垂直于缺陷反射面；

5 被检工件的材质、坡口形式、焊接工艺等；

6 根据探头的晶片尺寸、K值等确定检测面宽度；

7 工件侧面反射波的影响；

8 变型波的影响等。

6.2 仪器与探头的选择

一、探伤仪选择

1.仪器和各项指标要符合检测对象标准规定的要求。

2.其次可考虑检测目的，如对定位要求高时，应选择水平线性误差小的仪器，选择数字式探伤仪更好。对定量要求高时，应选择垂直线性误差小，衰减器精度高的仪器，对大型工件或粗晶材料工件探伤，可选择功率大，灵敏度余量高，信噪比高，低频性能好的仪器。对近表面缺陷检测要求高时，可选择盲区小，近区分辨好的仪器。

主要考虑：灵敏度、分辨力、定量要求，定位要求和便携、稳定等方面。

二、探头选择

1. 型式选择：原则为根据检测对象和检测目的决定：

如：焊缝——斜探头

钢板、铸件——直探头

钢管、水浸板材——聚焦探头（线、点聚集）

近表面缺陷——双晶直探头

表面缺陷——表面波探头

2. 探头频率选择

超声波检测灵敏度一般是指检测最小缺陷的能力，从统计规律发现当缺陷大小为2

时，可稳定地发现缺陷波，对钢工件用2.5~5MH Z ，λ为：纵波2.36~1.18，横波1.29~0.65，则纵波可稳定检测缺陷最小值为：0.6~1.2mm 之间，横波可稳定检测缺陷最小值为：0.3~0.6之间。

这对压力容器检测要求已能满足。

故对晶粒较细的铸件、轧制件、焊接件等常采用2.5~5MH Z 。

对晶粒较粗大的铸件、奥氏体钢等因会出现许多林状反射，（由材料中声阻抗有差异的微小界面作为反射面产生的反射），也和材料噪声干扰缺陷检测，故采用较低的0.5~2.5MH Z 的频率比较合适，主要是提高信噪比，减少晶粒反射。

此外应考虑检测目的和检测效果，如从发现最小缺陷能力方面，可提高频率，但对大工件因声程大频率增加衰减急剧增加。对粗晶材料如降低频率，且减小晶片尺寸时，则声束指向性变坏，不利于检测远场缺陷，所以应综合考虑。

3. 晶片尺寸选择：

原则：①晶片尺寸要满足标准要求，如满足JB/T4730-2005要求，即晶片面积≤500mm 2，任一边长≤25mm 。

②其次考虑检测目的，有利于发现缺陷，如工件较薄，则晶片尺寸可小些，此时N 小。铸件、厚工件则晶片尺寸可大些，N 大、θ

0小。发现远距离缺陷能

力强。

③考虑检测面的结构情况

如对小型工件，曲率大的工件复杂形状工件为便于耦合要用小晶片，对平面工件，晶片可大一些。

4. 斜探头K值选择：

原则：①保证声束扫到整个检测断面，对不同工件形状要具体分析选择。

②尽可能使检测声束与缺陷垂直，在条件许可时，尽量用K大些的探头。

薄工件K大些，厚工件K可小些。

③根据检测对象选K：

如单面焊根部未焊透，选K=0.7-1.5，即在K=0.84-1时检测灵敏度最高。

6.3 耦合剂的选用

6.3.1耦合就是实现声能从探头向工件的传递，它可用探测面上声强透过率来表示

耦合的好坏，声强透过率高，表示声耦合好。

耦合剂——在工件与探头之间表面，涂敷液体、排除空气，实现声能传递该液体即耦合剂。

实际耦合剂声阻抗在1.5~2.5×106公斤/米2，而钢声阻抗为45×106公斤/米2。

所以靠耦合剂是很难补偿曲面和粗糙表面对探测灵敏度的影响。

水银耦合效果最好，声阻抗为：19.8×106kg/m2与钢接近，但有毒、很贵，故不推荐。

对耦合剂的要求：

①对工件表面和探头表面有足够浸润性，并既有流动性，又有附着力强，且

易清洗。

②声阻抗大，应尽量和被检工件接近。

③对人体无害，对工件无腐蚀作用。

④来源广，价格低廉。

⑤性能稳定。

6.3.2影响声耦合的主要因素

1. 耦合层厚度d ：

在均匀介质中：

最好：d=n ·2

λ 即半波长整数倍时声压透射率为1，几乎无反射，声能全部透射。好象耦合层不存在。

最不好：d=（2n+1）4

λ 即四分之一波长奇数倍时，声压透射率最低，反射率最高。

此时相当于钢保护膜直探头探测钢件。根据均匀介质中异质薄层对声波的反射特性，其声压反射r 为：

22221222222122241124111λπλπd Sin Z Z Z Z d Sin Z Z Z Z r ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=

在非均匀介质中，根据教材2.37式，当d=n 2λ时和d=（2n+1）4λ

,

且Z 2=31Z Z 时，声强透射率最大，超声检测大多情况满足次种条件。 由式可看出：当耦合层d=2

λ时，r=0、t=1，灵敏度可以保证，但发射反射 脉冲后面干扰振荡增加，也影响缺陷检测，故实际上常使用d →0的光滑工件使耦

合层d →0，效果好。

如果再增加耦合层厚度，可以使界面波和工件多次反射波分得很开，探伤图 形变得很清晰，如控制在底面回波在第二次界面回波前出现，对缺陷判断有利（这是水浸探伤中的水层耦合原理）。

为使耦合层耦合效果好，由教材（2-38）式和（2-39）式可知，则必须使r ≈0，此时t ≈1，或T=22121)(4Z Z Z Z +达最大，即声能从探头全部透到工件，则由声压反

射率表示式知，r ≈0得Sin λπd

2≈0，即d ≈0或d →0，但d ≠0，即工件表面越平整，耦合剂层厚d 越接近零，耦合越好。

2. 工件表面粗糙度影响

由上面均匀介质中异质薄层对声波的声压反射率表示式可知d →0时，可得 r ≈0。耦合效果越好。表示工件表面光洁度越光越好，表面粗糙度越差。则d 越大耦合越差。但是当表面太光后探头和工件之间耦合层由于表面张力吸附作用，变成真空使探头移动困难。同时因真空不能传播声波，使耦合变差。

一般工件要求粗糙度Ra=6.3μm

3. 耦合剂声阻抗影响

一般液体耦合剂声阻抗均比工件声阻抗小，故对同一探测面（光洁度相工件 材质相同）声阻抗越大的耦合剂耦合效果越好。

4. 工件表面形状影响

平面工件耦合最好。